SU1732201A1 - Емкостный датчик давлени и способ его изготовлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение предназначено дл  измерени  давлени  в широком диапазоне температур и направлено на уменьшение габаритов датчиков давлени  и повышение точности измерени . Сущность изобретени : при воздействии на датчик повышенной температуры емкость электродов первой пары измен етс . Емкость электродов второй пары также измен етс , причем так как длина втулки 12 выбрана, исход  из представленных соотношений, то изменение емкости электродов второй пары будет таково, что отношение емкостей второй и первой пар электродов в минимальной степени будет зависеть от температуры. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Description

3 173220

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в датчиках дл  измерени  статического и динамического давлени  в широком диапазоне температур.

Известен емкостный датчик давлени , содержащий прогибающуюс  мембрану и плоскую эталонную пластину. На мембране установлены два кольцеобраз- JQ ньгх электрода; первый  вл етс  чувствительным элементом, второй - эталонным . Эталонна  пластина, обращенна  в сторону прогибаемой поверхности мембраны, также содержит чувствитель- je ный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическа  распорка , установленна  в центральной 20 части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает посто нное рассто ние между ними, не преп тству  прогибу мембраны. Эталонна  пластина закрываетс  крыш- 25 кой, котора  по периметру соедин етс  с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду ,« на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкост ный датчико

Недостатком известного устройства  вл ютс  довольно значительные габаритные размеры, особенно в направлении , перпендикул рном продольной оси, св занные с плоским расположением электродов измерительного и опорного конденсаторов. Температурна  погреш- . ность известного устройства также весьма велика вследствие неидентичности изменени  емкостей измерительного и эталонного конденсаторов от температуры..

Известен также способ изготовлени  емкостного датчика давлени , заключающийс  в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов присоединени  пласти- . ны к упругому элементу через распорку , установленную в центре упругого элемента.

Недостатком известного способа  вл етс  сравнительно невысокий уровень технологичности, св занный с невозможностью изготовлени  датчиков с приемлемой точностью в услови х воздействи  температуры.

S3

e 5 «

3

14

Наиболее близким к предлагаемому но технической сущности  вл етс  емкостный датчик давлени , содержащий мембрану с жестким центром и периферийным цилиндрическим опорным основанием , образующим с крышкой вакууми- рованную полость, внутри которой на мембране через первую прокладку закреплен первый диск, два емкостных преобразовател , каждый из которых выполнен в виде двух противолежащих электродов, причем один электрод первого емкостного преобразовател  расположен на мембране, а второй электрод - на поверхности первого диска. Недостатком известного датчика  вл ютс  сравнительно большие габарит- ные размеры, св занные с пленарным расположением электродов и наличием консольного участка у упругого элемента . Причем размеры увеличены в направлении , перпендикул рном продольной оси датчика, т.е. именно те размеры, которые определ ют установочные характеристики: присоединительную резьбу и т.д.

Кроме того, недостатком известной конструкции  вл етс  повышенна  тем- пературна  погрешность, что объ сн  етс  неодинаковой величиной изменени  емкости первой и второй пары от температуры .

. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности  вл етс  спо- соб изготовлени  емкостного датчика давлени , заключающийс  в формировании электродов измерительного емкостного преобразовател  соответственно на мембране, выполненной с периферийным цилиндрическим опорным основани- , ем, и диске, закрепленном через прокладку диска на мембране, и формировании электродов эталонного емкостного преобразовател .

Недостатком известного способа изготовлени  емкостного датчика давлени   вл етс  сравнительно невысокий уровень технологичности, св занный с невозможностью изготовлени  датчиков с приемлемой точностью в услови х воздействи  температур.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение габаритов и увеличение точности за счет уменьшени  температурной погрешности , а также повышение технологичности .

На чертеже изображен предлагаемый емкостный датчик давлени .

Емкостный датчик давлени  содержит вакуумированный корпус 1, мембрану 2 с жестким центром и цилиндрическим опорным основанием 3, диск 4, закрепленный на мембране при помощи прокладки 5, емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов. Перва  пара электродов 6 и 7 расположена по центру мембраны и диска соответственно. Один из электродов 8 второй пары расположен на стороне диска, более удаленной от мембраны, а другой электрод 9 второй пары размещен на пластине 10, установленной при помощи прокладки 11 на расположенном в одной плоскости с более удаленной от мембраны поверхностью диске втулки 12, размещенной концентрично мембране и диску. Втулка жестко присоединена противолежащим торцом к опорному основанию мембраны, например, при помощи лазерной сварки. Величина межэлектродного зазора первой пары электродов равна величине межэлектродного зазора второй пары электродов и равна 40 мкм. Электроды электрически соединены с выводами гермопроходника 13 при помощи тонких выводных проводников 14.

Упругий элемент, диск и пластина выполнены из сплава 70НХБМО (ц -13,5- ), втулка выполнена из сплава 20X13 (tf&- 10, ° (Г1 ) . На поверхности мембраны и пластины нанесена диэлектрическа  пленка в виде композиции -Si02. Электроды выполнены в виде композиции Mo-Ni.

За вл емый способ осуществл етс  следующим образом.

Формируют на мембране и диске методом тонкопленочной технологии электроды первой пары. Формируют методом тонкопленочной технологии электроды второй пары на стороне диска более удаленной от мембраны, и на пластине. Определ ют значени  емкости первой , пары электродов при наименьшей и наибольшей температуре рабочего диапазона температур. Закрепл ют диск на мембране при помощи прокладки лазерной сваркой по периферии диска и упругого элемента (не показано).

Изготавливают втулку из материала ,с Т КНР, отличньм от Т КНР упругого элемента. Длину втулки определ ют р соответствии с за вл емым соотношением . В нашем случае при u QO 40 мкм,

5

0

5

Сх 3,4,п-ъ, Схо 2,1 пФ, tfy 11,5 , (Ув 10,1-10-6 OG- , t0 25 С,, t 6()0 С по формуле

5 , tc xt I CioIl i «J(t - tuiIZ}rn

Lecxt()(t : u) u;

получаем L6 3,4 - ,1 Ј1 + 13,(600Ч 25)рт7,6 мм.

10 Устанавливают торец ВТУЛКИ в одной плоскости с поверхностью диска, наиболее удаленной от мембраны. Установка может проводитьс  различным образом, например при помощи установки Поверхности диска и торца втулки на эталонной поверхности. На торце втулки 3 устанавливают при помощи прокладки пластину и закрепл ют ее лазерной сваркой по периферии с втулкой .

Емкостный датчик давлени  работает следующим образом.

Под воздействием измер емого давлени  на мембрану датчика жесткий центр мембраны, а следовательно, и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора перемещаютс  в направле- нии неподвижного электрода. В резуль0 ,тате этого межэлектродный зазор этой 1пары электродов уменьшаетс , а его емкость соответственно увеличиваетс . Емкость второй пары электродов не зависит от измер емого давлени  вслед5 ствие сравнительно массивного опорного основани . Значени  емкостей первой и второй пары электродов через их контактные площадки и гермопро- ходники передаютс  на нормирующее

0 устройство (не показаны), которое формирует1 выходной сигнал, завис щий от отношени  емкостей второй пары электродов и первой, а следовательно, и от измер емого давлени . При воз5 действии на датчик повышенной температуры емкость электродов первой пары измен етс  в силу различных причин. Емкость электродов второй пары также измен етс , но так как

0 длина втулки выбрана исход  из за вл емых соотношений, то изменение емкости электродов второй пары будет таково, что отношение емкостей второй и первой пары электродов в мини5 мальной степени будет зависеть от (температуры. Один из электродов второй пары расположен на стороне диска, более удаленной от мембраны, а другой электрод второй пары размещен

на пластине, установленной при помощи прокладки на расположенном в одной плоскости с более удаленной от мембраны поверхностью диска торце втулки, размещенной концентрично мембране и диску, дл  обеспечени  уменьшени  габаритных размеров, особенно в направлении, параллельном плоскости мембраны. Жесткое присоединение противолежащего торца втулки к опорному основанию также позвол ет уменьшить габаритные размеры и температурную погрешность. Равенство величины межэлектродного зазора первой величине межэлектродного зазора второй пары позвол ет уменьшить температурную погрешность вследствие обеспечени  идентичности температурных зависимостей второй и первой пары электродов. Формирование электродов второй пары на стороне диска, более удаленной от мембраны, и на пластине также преследует цель уменьшить габаритные размеры. Установка втулки из материала с ТКПР, отличным от ТКЛР упругого элемента, в одной плоскости с поверхностью диска, наиболее удаленной от мембраны , позвол ет минимизировать температурную погрешность емкостного датчика , вследствие обеспечени  термозависимости емкости второй пары элекродов , близкой к термозависимости первой пары электродов.

Рассмотрим более подробно конструкцию датчика. Пусть при температуре t0 величина емкости измерительног

конденсатора равна Схо , а при температуре t Сх.

Несмотр  на изменение емкости измерительного конденсатора от температуры выходной сигнал, образованный в соответствии с выбранным алгоритмом , не должен измен тьс  от температуры . Общеприн тый алгоритм образовани  выходного сигнала дл  емкостных квазидифференциальных датчиков имеет следующий вид:

С0

U

&ЫХ

- v (v - -Ј. )

- V.-/) г

(2)

со

схемкость образованного конденсатора;

емкость измерительного конденсатора;

К

1

коэффициенты При температуре t

к2U 6ЫУ4 : К f(K 2i c7Ј При температуре t

(3)

ивыхо КЮ(К2е с Ь

(4)

Дл  обеспечени  независимости выходного сигнала от температуры необ- 0 ходимо, чтобы

U

выхЬ

U

еыхо

Расшифровыва  выражени , получим

(

г-t

Cot

CY-t

). (5)

Учитыва , что коэффициенты преобразовани  определ ютс  электронным преобразователем, располагающимс  на некотором рассто нии от датчика и непосредственно не подвергающимс  воздействию температуры измер емой среды, можно записать

К

ю

«it;

5

К20 K2f

Тогда выражение (5) приводитс  к виду

GOO Cot

(6)

0

или

ХО CQQ

Coi

St

CXQ

Cx-t

(7)

(8)

Емкость образцового конденсатора при температуре t0 равна

SQQ

00

° А

(9)

оо

40 где Е - относительна  диэлектрическа  проницаемость вакуума; S0 абсолютна  диэлектрическа  проницаемость;

оо

- площадь поверхности электродов при температуре

Д0 -«межэлектродный зазор при,

температуре tfi. I&tKOCTb образцового конденсатора при температуре t с учетом инвариант- ности относительной и абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума от температуры будет равна

:ot

РР JLsi tfcu uot

(Ю)

где 80 - площадь поверхности электродов при температуре tj &ot межэлектродный зазор при температуре t.

91/

Площадь электродов образцового конденсатора при температуре t0 равна

(11)

00

-3 .

где г0 - радиус электрода при температуре .

Площадь электродов образцового конденсатора -в случае выполнени  пластины из материала упругого элемента при температуре t равна

2,

srt-fr;t-fr. г

1 + yt - t0).(12)

При изменении температуры от te до t величина межэлектродного зазора эталонного конденсатора изменитс  от йлона величину, определенную по соотношению

Јu00 L6((fy -0(6)(t - t0), (13) где Lft - высота втулки.

Тогда межэлектродный зазор эталонного конденсатора при температуре t будет равен

&ot -AOO-&&OO (14)

Поэтому емкость эталонного конденсатора при температуре t будет равна

г сс S° г +8fc(t - tJ2 °ot -С-Со-/ГГ -C-C0- д /v

.U0-t

oo

00

. vi - u«- r

-CpfebCl 4(t --t)P(15)

Ct°Xr 4(V«eHt - t0V

Подставл   выражени  (9) и (15) в выражение (8), после преобразований получим

Vc71r«1AOB-.Le(eK-«ft)(t - t0) Са

. С1 + (t - t0) - с t

(.ID) &oocxt L6. Cx-tte-j-tfeXt - t0)

- СхоЛо.0 +(t t«)Z откуда

UQBJCrt - CXQ 4 + KU(t - tp)2}

L

cxl(ccs-ot7)(t - t9)

Емкостный датчик давлени  в соответствии с предлагаемым решением имеет присоединительные размеры с резьбой М18х1,5. Емкостный датчик давлени , выполненный в соответствии с прототипом, имеет присоединительные размеры с резьбой М24х1,5. Габаритные размеры предлагаемого емкостного датчика давлени  20x30 мм, а габаритные размеры известных датчиков 27x30 мм. Температурна  погрешность в диапазоне температур 25-600 С емкостного датчика давлени  в соответствии с

предлагаемым решением составл ет 5-1ГГ 0С . Температурна  погрешность в диапазоне температур 25-600 С известного емкостного датчика давлени  составл ет 2.. Таким образом, технико-экономическим преимуществом , по сравнению с прототипом ,  вл етс  уменьшение габаритных

д размеров на 30% и температурной погрешности за счет обеспечени  одинакового относительного изменени  емкостей первой и второй пары электродов .

Claims (2)

1.Емкостный датчик давлени , содержащий мембрану с жестким цент0 ром и периферийным цилиндрическим опорным основанием, образующим с крышкой вакуумированную полость, внутри которой на мембране через первую прокладку закреплен первый

5 диск, два емкостных преобразовател , каждый из которых выполнен в виде двух противолежащих электродов, при- чем один электрод первого емкостного преобразовател  расположен на мембра- не, а второй электрод на поверхности первого диска, отличающий- с   тем, что, с целью уменьшени  габаритов и увеличени  точности за счет уменьшени  температурной погрешности , .в него введены второй диск

5 и втулка, котора  закреплена на цилиндрическом опорном основании кон- центрично мембране, причем торец втулки установлен заподлицо с внешней поверхностью диска, при этом на внеш ней поверхности диска закреплен первый электрод второго емкостного преобразовател ., а на торце втулки через введенную вторую прокладку закреплен второй диск, на внутренней поверх5 ности которого закреплен второй электрод второго емкостного преобразовател .

2.Способ изготовлени  емкостного датчика давлени , заключающийс  в

0 формировании электродов измерительного емкостного преобразовател  соответственно на мембране, выполненной с периферийным цилиндрическим опорным основанием, и диске, закреплении

5 через прокладку диска на мембране и формировании электродов эталонного емкостного преобразовател , отличающийс  тем, что с целью

0

111

повышени  технологичности, формируют первый электрод эталонного преобразовател  на внешней стороне диска, измер ют емкость измерительного преобразовател  при верхней и нижней температуре рабочего диапазона, определ ют длину LЈ втулки по соотношению

bJk +0(t -

cx-fc()(t - t0) Д - межэлектродньй зазор;

cxt

С yo - емкость измерительного .емкостного преобразовател , соответственно, при верхней и нижней температуре рабочего диапазона

4е

где

olr

ХЙ

12

температурный коэффициент линейного расширени  соответственно мембраны и втулки i

1

tЈ соответственно верхн  

и нижн   температура рабочего диапазона

и закрепл ют втулку на цилиндрическом опорном основании заподлицо с диском , а затем закрепл ют на торце втулки через дополнительную прокладку дополнительньй диск с предвари- тельно сформированным на нем вторым электродом эталонного емкостного преобразовател .